文档介绍：设计题目:PWM控制的直流电动机调速系统设计
1、前言
近年来,随着科技的进步,电力电子技术得到了迅速的发展,直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求,从而对直流电机的调速提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速,改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求,这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。
采用传统的调速系统主要有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移,会产生一些不必要的热损耗,以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后,避免了以上的缺陷,实现了用数字方式来控制模拟信号,可以大幅度降低成本和功耗。另外,由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好;同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性,且有节约空间、比较经济等特点。
2、系统设计原理
脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术,尤其是在对电机的转速控制方面,可大大节省能量,PWM控制技术的理论基础为:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需
要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为
(1)
式中 Ua——电枢供电电压(V);
Ia ——电枢电流(A);
Ф——励磁磁通(Wb);
Ra——电枢回路总电阻(Ω);
CE——电势系数, ,p为电磁对数,a为电枢并联支路数,N为导体数。
由式(1)可以看出,式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量,只要改变其中一个参量,就可以改变电动机的转速,所以直流电动机有三种基本调速方法:(1)改变电枢回路总电阻Ra;;(2)改变电枢供电电压Ua;(3)改变励磁磁通Ф。
4、方案选择及论证
、方案选择
、改变电枢回路电阻调速
可以通过改变电枢回路电阻来调速,此时转速特性公式为
n=U-【I(R+Rw)】/KeФ(2)
式中Rw为电枢回路中的外接电阻(Ω)。
当负载一定时,随着串入的外接电阻Rw的增大,电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大,电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。
这种调速方法为有级调速,转速变化率大,轻载下很难得到低速,效率低,故现在这种调速方法已极少采用,本次设计不采用。
、改变励磁电流调速
当电枢电压恒定时,改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1-1可看出,电动机的转速与磁通Ф(也就是励磁电流)成反比,即当磁通减小时,转速n升高;反之,则n降低。与此同时,由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积(即Te=CTФIa),电枢电流不变时,随着磁通Ф的减小,其转速升高,转矩也会相应地减小。所以,在这种调速方法中,随着电动机磁通Ф的减小,其转矩升高,转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下,不同转速时,电动机始终可以输出额定功率,因此这种调速方法称为恒功率调速。
为了使电动机的容量能得到充分利用,通常只是在电动机基速以上调速时才
采用这种调速方法。本次设计不采用。
、采用PWM控制的调速方法
图1为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图1a中,假定晶体
管V1先导通T1,秒(忽略V1的管压降,这期间电源电压Ud全部加到电枢上),然后关断T2秒(这期间电枢端电压为零)。如此反复,则电枢端电压波形如图1b中所示。电动机电枢端电压Ua为其平均值。
图1 PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形
原理图 b)输出电压波形
(3)
式(3)中
(4)
为一个周期T中,晶体管V1导通时间的比率,称为负载率或占空比。使用下面三种方法中的任何一种,都可以改变的值,从而达到调压的目的:
(1)定宽调频法:T1保持一定,使T2在0~∞范围内变化;
(2)调宽调频法:T2保持一定,使T1在0~∞范围内变化
(3)定频调宽法:T1+T2=T保持一定,使T,在0~T范围内变化。
不管哪种方法,的变化范围均为0≤≤l,因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0~Ud,均为正值,即电动机只能在某一方向调速,称为不可逆调速。当需要电动机在正、反向两个方向调速运转,即可逆调速时,就要使用图1—2a所示的桥式(或称H型)降压斩波电路。
在图2a中,晶体管